中國科學技術大學的研究團隊在量子通信領域取得了重大突破。由該校的潘建偉、彭承志、廖勝凱等科學家領導，攜手濟南量子技術研究院、中國科學院上海技術物理研究所及微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位的聯(lián)合團隊，成功實現(xiàn)了量子微納衛(wèi)星與小型化、便攜式地面站之間的實時星地量子密鑰分發(fā)。
這一創(chuàng)新成果標志著，在一次衛(wèi)星過境期間，研究團隊成功共享了多達1百萬比特的安全密鑰。這一技術突破不僅展示了量子通信技術的巨大潛力，更為構建全球化的量子通信網(wǎng)絡奠定了堅實基礎。
在上述研究的基礎上，該聯(lián)合團隊還與南非斯坦陵布什大學的科研團隊攜手，跨越12900多公里的距離，在中國與南非之間建立了量子密鑰，并成功實現(xiàn)了對圖像數(shù)據(jù)的“一次一密”加密傳輸。這一成就進一步驗證了量子通信技術在實際應用中的可行性和可靠性。
量子通信以其獨特的安全性，被視為提升國家信息安全和經(jīng)濟社會發(fā)展水平的關鍵技術。基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信，是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)“信息論可證”安全的通信方式。然而，要實現(xiàn)遠距離乃至全球化的量子保密通信，必須克服光纖損耗和覆蓋范圍的限制。利用衛(wèi)星平臺進行自由空間量子密鑰分發(fā)，成為了解決這一難題的有效途徑。
中國科學技術大學在此領域的研究歷史深遠。此前，由該校牽頭研制的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，已在全球首次實現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)，并與地面光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”共同構成了首個天地一體化廣域量子保密通信網(wǎng)絡。然而，“墨子號”量子衛(wèi)星無法直接覆蓋全球且成本高昂，因此發(fā)射多顆低成本量子微納衛(wèi)星并實現(xiàn)組網(wǎng)運行，成為了構建高效、實用、全球化量子通信網(wǎng)絡的迫切需求。
為了滿足這一需求，研究團隊在關鍵技術上取得了重大突破。他們成功研發(fā)了低成本小型化誘騙態(tài)量子光源技術、復合激光通信的實時密鑰提取技術，以及基于衛(wèi)星姿控的高精度跟瞄技術。在此基礎上，他們完成了星載量子密鑰分發(fā)載荷和量子微納衛(wèi)星平臺的研制工作。載荷重量僅為約23公斤，相比“墨子號”降低了約一個數(shù)量級，光源頻率則提升了約6倍，密鑰生成的時效性也得到了顯著提高。
2022年7月27日，團隊研制的國際首顆量子微納衛(wèi)星“濟南一號”成功發(fā)射入軌。隨后，研究團隊進一步發(fā)展了小型化地面站系統(tǒng)，重量降低至低于100公斤的水平，能夠快速部署并適應各種環(huán)境。這一系統(tǒng)原理上已能夠支持移動量子通信。
在本研究中，量子微納衛(wèi)星與濟南、合肥、南山、武漢、北京、上海以及南非斯坦陵布什等地的地面光學站建立了光鏈路，并成功實現(xiàn)了實時星地量子密鑰分發(fā)實驗。星載量子誘騙態(tài)光源每秒發(fā)送約2.5億個信號光子，結合上下行光通信實現(xiàn)密鑰的實時提取。一次過軌對接實驗即可生成250kbits至1Mbits的安全密鑰，平均成碼率可達3kbps。
以衛(wèi)星作為可信中繼，研究團隊還成功實現(xiàn)了地面相距12900公里的北京站和南非斯坦陵布什站之間的密鑰共享和數(shù)據(jù)中繼。這一研究成果不僅為大規(guī)模實用化量子通信網(wǎng)絡的建設提供了關鍵技術支撐，更為量子互聯(lián)網(wǎng)的全球部署開辟了新的發(fā)展路徑。
